Дифференциальные токовые защиты трансформаторов и особенности их выполнения

Дифференциальный принцип позволяет выполнить быстродействующую защиту трансформатора, реагирующую на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями. При этом она может иметь недостаточную чувствительность только при витковых замыканиях и "пожаре стали". Для осуществления защиты используют трансформаторы тока TAI, TAII, установленные с обеих сторон защищаемoro трансформатора вблизи выключателей Q1, Q2 (рис. 14.7). Вторичные обмотки трансформаторов тока и реле КА соединяются в схему продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами. При этом в реле КА при отсутствии повреждения в защищаемой зоне проходит ток небаланса. Однако этот ток в дифференциальной защите трансформатора определяется не только погрешностью трансформаторов тока, но и рядом дополнительных факторов. Они обусловливают особенности схемы, усложняют ее и должны учитываться при выполнении дифференциальной защиты трансформатора. Рассмотрим эти факторы на примере защиты двухобмоточного трансформатора.

Ток намагничивания трансформатора. У силовых трансформаторов коэффициент трансформации nт не равен 1, поэтому в защите должны сравниваться токи I1I и I1II/nт. При отсутствии повреждения в защищаемой зоне ток намагничивания Iнам = I1I - I1II/nт обусловливает неравенство сравниваемых токов I1I и I1II/nт. В связи с этим в обмотке реле появляется дополнительная составляющая тока небаланса Iнб.нам, которая при нормальной работе и внешних коротких замыканиях незначительна и поэтому может не учитываться.

Иное происходит при появлении в питающей обмотке трансформатора броска тока намагничивания Iнб.нам, максимальные мгновенные значения которого достигают 6-8-кратных значений амплитуды номинального тока в первый момент включения трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после отключения внешних коротких замыканий. Весь ток намагничивания, проходя через реле, может вызвать неправильное срабатывание защиты. Переходный ток намагничивания содержит значительные высшие гармонические (2-ю и З-ю), а также значительную апериодическую составляющую, в результате чего кривая его мгновенных значений почти полностью смещается от оси времени.

Время полного затухания переходного тока намагничивания определяется постоянными времени ветви намагничивания трансформатора и сети и может достигать нескольких секунд. Однако уже по истечении времени t = 0,3...0,5 с его максимальные мгновенные значения становятся меньше амплитуды номинального тока трансформатора. Отстройка дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания является первым условием при выборе тока срабатывания. В этом случае другими слагающими тока небаланса, малыми по сравнению с Iбр.нам, можно пренебречь, поэтому расчетный первичный ток небаланса Iнб.рсч.max1 = Iбр.нам.

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигается в основном тремя путями: загрублением защиты по току срабатывания: включением реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ); выявлением различия между формой кривой тока K3 и формой кривой тока намагничивания (реле в комплекте устройства ЯРЭ-2201). При этом ток срабатывания выбирают, исходя из значения номинального тока трансформатора по условию

Iс.з >= kотсIт.ном.

В зависимости от используемых реле и способа отстройки коэффициент kотс принимается равным 0,3...4,5.

Схемы соединения обмоток трансформатора и трансформаторов тока. Так как nт не равен 1, то при нормальной работе и сверхтоках, обусловленных перегрузкой или внешними короткими замыканиями, токи I1I и I1II на стороне высшего U1I и низшего U1II напряжений не равны между собой. В трансформаторах с соединением обмоток Y/Y-12 токи отличаются только по абсолютному значению (ток намагничивания не учитывается).

В случае разного соединения обмоток трансформатора, например по схеме Y/Δ первичные токи сдвинуты по фазе на угол, определяемый группой соединения обмоток. Соответственно сдвинуты по фазе и вторичные токи I2I и I2II.

Для группы соединения Y/Δ-11 угол сдвига фаз составляет π/6. Поэтому при отсутствии повреждения в защищаемой зоне в симметричном режиме в обмотке реле появляется значительный ток Iнб. Для его устранения необходимо, чтобы сравниваемые вторичные токи независимо от группы соединения трансформатора совпадали по фазе.

Дифференциальная защита трансформаторов с соединением обмоток Y/Δ-11 должна выполняться так, чтобы сравнивались совпадающие по фазе токи:

IAΔ и (IAY-IBY); IBΔ и (IBY-ICY); и IСΔ и (IСY-IАY); .

Это достигается путем соединения вторичных обмоток трансформаторов тока TAI, установленных со стороны звезды защищаемого трансформатора, по схеме треугольника, а TAII со стороны его треугольника - по схеме звезды. Группа соединения трансформаторов тока должна соответствовать группе соединения обмоток защищаемого трансформатора. При этом в случае заземленной нейтрали по схеме треугольника должны соединяться именно рансформаторы тока TAI со стороны звезды защищаемого трансформатора.

Дифференциальная защита трансформатора с указанным соединением трансформаторов тока может правильно работать при условии, если в фазных токах при нормальной работе и внешних коротких замыканиях нет составляющей нулевой последовательности Io. Такое положение имеется лишь при изолированной нейтрали трансформатора.

В случае же заземленной нейтрали при КЗ на землю появляются токи нулевой последовательности в фазных проводах на стороне звезды защищаемого трансформатора. Они не проходят в фазные провода обмотки, соединенной в треугольник. Поэтому, если трансформаторы тока TAI будут соединены в звезду, то токи нулевой последовательности будут попадать в реле, и защита может неправильно сработать при внешних КЗ на землю.

Соединение трансформаторов тока по схеме треугольника со стороны звезды защищаемого трансформатора с заземленной нейтралью исключает проникновение токов нулевой последовательности в цепи циркуляции и в реле и тем самым предотвращает возможность неправильной работы защиты при внешних коротких замыканиях на землю.